автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Интегральный термодатчик с улучшенными точностными характеристиками в расширенном диапазоне температур

На правах рукописи

ШЕСТИМЕРОВ СЕРГЕЙ МИХАЙЛОВИЧ

ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ТЕРМОДАТЧИК С УЛУЧШЕННЫМИ ТОЧНОСТНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ В РАСШИРЕННОМ ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР

Специальность: 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

з ш гт

Москва - 2012

005016401

Работа выполнена на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» ФГБОУ ВПО Московского государственного института электроники и математики (технического университета)

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: доктор технических наук, профессор

Увайсов Сайгид Увайсович

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Дианов Вячеслав Николаевич - доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет», профессор кафедры «Автоматики, информатики и систем управления»

Желтов Роман Леонидович - кандидат технических наук, ОАО «РКК «Энергия», с.н.с.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

Федеральное государственное унитарное предприятие «Московское орденов Октябрьской Революции и Трудового Красного Знамени конструкторское бюро «Электрон»

Защита состоится «31» мая 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д217.047.01 при ФГУП «Научно-исследовательский и экспериментальный институт автомобильной электроники и электрооборудования» по адресу: 105187, Москва, ул. Кирпичная, д. 41.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «Научно-исследовательский и экспериментальный институт автомобильной электроники и электрооборудования»

Автореферат разослан «¿V» апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д217.047.01 доктор технических наук,

старший научный сотрудник Варламов О. О.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Управление различными технологическими процессами, поддержание в работоспособном состоянии промышленных агрегатов, машин, механизмов, обеспечение безопасной эксплуатации разнообразных технических устройств, требуют многочисленных измерений разнообразных физических величин. На сегодня существует приблизительно следующее распределение доли измерений различных физических величин: температура - 50%, расход (массовый и объемный) - 15%, давление - 10%, уровень - 5%, количество (масса, объем) -5%, время - 4%, электрические и магнитные величины - менее 4%, что говорит о безусловном лидерстве в количестве измерений именно температуры.

Во всех областях человеческих познаний, физике, электронике, химии, механике и биологии установлены зависимости протекающих процессов от температуры. Так некоторые процессы, например химические реакции и биологические процессы, протекают нормально только в достаточно узком диапазоне температур. Электронные схемы также нормально функционируют только в довольно ограниченном температурном диапазоне, выход за рамки которого, приводит к потере работоспособности и даже разрушению аппаратуры. Многие электронные компоненты разрушаются под воздействием повышенных температур, другие, например жидкокристаллические дисплеи и полупроводниковые приборы критичны к воздействию пониженной температур.

Значительный вклад в развитие теории и практики термочувствительных элементов внесли: В. С. Громов, Н. П. Удалов, А. И. Кривоносов, Ю. В. Зайцев, И. Л. Ротберт, И. Т. Шефтель, Г. Виглеб и др.

Широкий диапазон измеряемых температур, разнообразие условий использования автоматизированных средств управления и требований к ним определяют, с одной стороны, многообразие применяемых средств измерения температуры, а с другой стороны, необходимость разработки новых типов первичных преобразователей и датчиков, удовлетворяющих возрастающим требованиям к точности, быстродействию, помехоустойчивости. Российский рынок интегральных датчиков температуры показывает, что значительную номенклатуру среди них занимают измерительно-преобразовательные устройства на диапазон температур от -100 °С до +200 °С. С использованием современных полупроводниковых интегральных датчиков можно реализовать измерения температуры в диапазоне от^О °С до +125 °С с погрешностью ±2,0. Однако, в науке и промышленности существует как необходимость, так и потребность в контроле и измерении более высоких и более низких температур с высокой точностью.

С другой стороны, надо отметить, что измеряемый диапазон интегрального датчика температуры с встроенными или совмещенными

чувствительными элементами, ограничен предельными температурами элементов самой схемы (усилителями, источниками питания, цифровыми элементами и т.п.) на уровне -55-н-150°С. По этой причине за рубежом развитие и совершенствование интегральных устройств измерения температуры идёт в области сервисных функций и в части цифровой обработки измерительного сигнала. Приходится признать, за двадцать последних лет улучшение основных параметров (диапазон измерений, термочувствительность, линейность измерений) интегральных датчиков температуры не произошло.

Поэтому, создание надежного интегрального датчика температуры, отличающегося от аналогичных зарубежных образцов улучшенными основными параметрами и пригодного для серийного изготовления, является актуальной научной и технической проблемой.

Объект исследования: процесс термоэлектрического преобразования в р-п переходах биполярных транзисторов современных датчиков температуры.

Предмет исследования: метод, модели, схемотехнические решения, алгоритм теплоэлектрического повышения чувствительности.

Цель работы: создание конкурентоспособного интегрального термодатчика с улучшенными точностными характеристиками в расширенном диапазоне температур.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены

задачи:

1. Анализ современного состояния проблемы измерения температуры в интегральном датчике.

2. Разработка метода структурного повышения чувствительности термоэлектрического преобразователя на транзисторах.

3. Построение математической модели термоэлектрического преобразователя на примере единичного биполярного транзистора.

4. Разработка алгоритма теплоэлектрического повышения чувствительности на основе построенной теплоэлектрической модели датчика.

5. Разработка принципиальной схемы интегрального датчика температуры.

6. Исследование основных параметров трех макетных образцов.

7. Создания интегрального датчика и изготовление опытной партии.

8. Проведение экспериментальных исследований образцов кремниевого интегрального датчика температуры, обоснование факта достижения в работе поставленной цели.

9. Внедрение результатов диссертационной работы в промышленность.

Методы исследования

При решении научно технических задач были использованы принципы системного подхода, а также численные методы решения уравнений и экспериментальные методы исследования, статистические методы обработки

результатов измерений, основы теории электрических зарядов, теории управления и теории оптимизации физического моделирования.

Научная новизна результатов исследования

При решении задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие новые научные результаты:

1. Разработана модель структурного повышения чувствительности интегрального датчика температуры на основе группы транзисторов (Патент РФ на полезную модель №100827 от 27 декабря 2010 г.) в транзисторном включении, отличающихся от транзисторов в диодном включении известных аналогов. Это позволило повысить температурную чувствительность до >4,2 мВ/°С, без уменьшения диапазона измерений температуры.

2. Разработана и обоснована структура термоэлектрического преобразователя на примере единичного биполярного транзистора, учитывающая в отличии от ранее известных, влияние опорного р-п перехода на свойства измерительного р-п перехода, что позволило оценивать основные параметры датчика до этапа экспериментальных исследований.

3. Предложен алгоритм теплоэлектрического повышения чувствительности интегрального датчика, позволяющий интегрировать термочувствительность с нескольких точек термопреобразования на кристалле микросхемы, что дало возможность впервые (в интегральных датчиках) отказаться от использования транзисторных усилителей тока и напряжения и, тем самым, увеличить диапазон измерений температуры с -55°С ... +150°С до -65°С ... +175°С.

4. Разработан метод объединения двух прямосмещённых р-п переходов биполярного транзистора в схеме с общей базой, отличающаеся от известных способов тем, что не имеет токовых связей между переходами. Анализ позволил установить, каким образом управление диффузионным зарядом из опорного р-п перехода снижает объёмное сопротивление базы транзистора. Практическое решение этой проблемы в транзисторном интегральном датчике повысило линейность измерений во всём рабочем диапазоне температур с 8°С до 1°С.

Практическая полезность диссертационной работы:

1. Разработан интегральный термодатчик с улучшенными точностными характеристиками в расширенном диапазоне температур для контроля и управления температурой твердых, жидких и газообразных тел с использованием в качестве термочувствительного параметра выходной ток, величина которого определяется совокупностью теплоэлектрических процессов в различных элементах транзисторного устройства.

2. Создан транзисторный интегральный датчик температур, который имеет измеряемый диапазон от минус 65°С до плюс 175°С с погрешностью измерения не хуже ±1,5°С, что превышает в 1,2-1,5 раза параметры измерений зарубежных аналогичных образцов.

3. Результаты полученные в ходе настоящей диссертационной работы, в том числе модели, методы, алгоритмы, схемотехнические решения, могут использоваться при разработке новых транзисторных интегральных датчиков на измерение в диапазоне температур, приближающемся к теоретически возможному для кремния: -100°С ... +300°С.

4. Использование в схеме датчика опорного р-п перехода ещё и как нагревателя, позволит использовать датчик в качестве:

- термоанемометра;

- датчика электромагнитных излучений;

- датчика ионизирующих излучений.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанное устройство было внедрено в системах контроля на предприятиях: ООО «НПА Вира Реалтайм», ЗАО ИТЦ «Циклон», ЗАО «ЭМИКОН», ООО фирма «Мэй».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на международном ежегодном симпозиуме «Надёжность и качество 2010»-Пенза, ПГУ, 2010;

- на международной научно-практической конференции «Инфо-2010», Россия, - Сочи, МГИЭМ, М., 2010;

- на международном ежегодном симпозиуме «Надёжность и качество 2011»-Пенза, ПГУ, 2011;

- на международной научно-практической конференции «Инфо-2011», Россия, - Сочи, МГИЭМ, М., 2011.

Публикации по теме работы. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 3 статьи в журналах из перечня, рекомендованного ВАХ: журнал «Датчики и системы», журнал «Качество. Инновации. Образование.», журнал «Измерения. Контроль. Автоматизация»; получен 1 патент РФ на полезную модель на устройство для измерения температуры.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка используемой литературы, приложения, включающих акты внедрения и патент на полезную модель.

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

1. Модель структурного повышения чувствительности интегрального датчика температуры;

2. Структура первичного термоэлектрического преобразователя;

3. Алгоритм теплоэлектрического повышения чувствительности интегрального датчика температуры;

4. Метод объединения двух прямосмещённых р-п переходов биполярного транзистора в схеме с общей базой.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении охарактеризована научно-техническая проблема, обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и задачи, которые необходимо решить для её достижения, показана научная новизна и значимость работы, приведены основные положения, выносимые на защиту, дано описание логических связей между разделами диссертации.

В первой главе приведён анализ технического состояния отечественных и зарубежных разработок интегральных датчиков температуры.

В первой части главы рассмотрены и даны определения таких понятий: датчик, интегральный датчик, интегральный датчик температуры. Ввиду отсутствия в отечественной нормативной документации понятия «интегральный датчик» в главе проведено изучение терминов, ближайших к данному понятию и на основе такого изучения сформулировано определение понятия следующего содержания: «Датчик, выполненный в виде полупроводниковой интегральной схемы с встроенным чувствительным элементом на основе термопары, терморезистора, диода или транзистора и предназначенный для преобразования температуры в измерительный электрический сигнал следует считать интегральным датчиком температуры».

Далее в главе описано техническое состояние разработок датчиков температуры с использованием термопар, рассмотрены термоэлектрические явления и конструктивные особенности термопар. Оценены метрологические возможности термопар как датчиков температуры с учётом схемотехнических методов обеспечения основных параметров. Аналогичные работы представлены в отношении технического состояния разработок:

- с использованием терморезисторов;

- с использованием диодных включений;

- с использованием транзисторных включений.

Выполненный в первой главе диссертации анализ характеристик интегральных датчиков температуры на основе термопар, терморезисторов, диодов и транзисторов, а также оценка потребности таких датчиков в науке и промышленности, в зависимости от диапазона измеряемых температур, позволил не только обосновать в работе выбор - это полупроводниковые интегральные датчики температуры, но определить температурный диапазон измерений температуры: от -65 °С до +175 °С.

В заключении главы с учётом предложенных новых решений показано, что наиболее перспективной частью исследования, связанной с повышением точности измерения температуры и расширением температурного диапазона, являются транзисторные интегральные датчики на основе биполярного транзистора в схеме с общей базой в режиме насыщения и что именно эту группу интегральных датчиков следует выбирать в качестве основного датчика в дальнейших исследованиях.

Предложена к рассмотрению отечественная разработка транзисторного интегрального датчика температуры с аналоговым выходом (так называемый, «абсолютный датчик»), взятая за прототип в диссертационной работе (рис.1).

Еэ

R>

-CZH

-э-W-*

б I

Rk

-с=ь

Ubux

. Ei

Рис.1. Включение транзистора.

* і ы>ы

1э1 J --і

/ 5/ і 1/-*'' / / •'I«™» 1э2 <h\J

♦¿lK(npnT=T0*jT)

Г

•'/ / І 1 III /із=0 ТО (In = 16) 0 +UK -<іІк(приТ=ТО-ііТ) -Ік

Рис.2. Выходная вольтамперная характеристика (ВАХ) п-р-п транзистора.

Рабочая область на ВАХ (рис. 2), характеризуется отрицательными значениями UK, (область работы транзистора с прямосмещёнными р-п переходами эмиттер - база и коллектор - база). Полагая, в общем случае, что токи эмиттера и коллектора складываются из двух компонентов (инжектируемого и собираемого), для семейства выходных вольтамперных характеристик транзистора, включённого по схеме с общей базой, можно записать выражение:

Ч-Ик

1К =а-1э-1КБ0-О kT -1).

величина Uк, при котором 1к= 0, а именно:

тт кТ1

-ик = —1п

(а-1 ^

Э1

+1

V ^кгл у

ч

Очевидно для точек 3 и 4: Ивых4 = -Мк'Як и и пых г = +Л/я"&

Если выполняется условие 1Э! » ± А ¡к, то можно считать, что ТКН на коллекторе является величиной постоянной и что иеых = Мк'Кк ~ (ТКН)-АТ, в диапазоне изменения коллекторного тока от -Д/А- до +Д1К. Для начальной температуры среды Т0 может быть установлено любое значение в пределах рабочих температур, в том числе и равное 0°С.

Сделан следующий вывод: зависимость температурного коэффициента коллекторного тока от величины резистора Як, не зависящего от температуры, даёт возможность регулировать чувствительность транзисторного термопреобразователя независимо от материала и технологии его изготовления, в отличие от его полупроводниковых аналогов.

Вторая глава посвящена разработке транзисторного интегрального датчика температуры. Произведены выбор и обоснование структуры чувствительного элемента на основе р-п переходов, изучены особенности применения полупроводниковой структуры, состоящей из двух и более р-п переходов. Выбран чувствительный элемент на основе р-п переходов, изучена электрофизическая модель транзисторного чувствительного элемента, построена математическая модель термочувствительного элемента на примере единичного биполярного транзистора, разработан алгоритм теплоэлектрического повышения чувствительности датчика.

Возможности повышения точностных характеристик транзисторного чувствительного элемента оцениваются в данной работе как на основе построенной математической модели термочувствительного элемента на примере единичного биполярного транзистора, так и экспериментальных исследований. На рис.3 представлена эквивалентная схема транзистора с общей базой в режиме насыщения, которая позволяет построить базовую математическую модель для качественной и количественной оценки новых предложений. Полученные базовые параметры превосходят характеристики выпускаемых за рубежом лучших образцов полупроводниковых интегральных датчиков температуры: диапазон измерений - 65°С...+ 175°С, что на треть больше, чем у существующих зарубежных образцов:

- высокая чувствительность (>2,3 мВ/°С с одного транзистора) без применения обычных транзисторных усилителей;

- повышенная линейность ±1,0 °С.

Измерительный М-Р коллекторный переход

Опорный М-Р ШИХШШМЕ переход

инжекция электронов

Рис.3. Эквивалентная схема транзистора с общей базой в режиме насыщения.

Где: икО-начальная контактная разность потенциалов коллекторного перехода;

Д¥к - индуцированная электростатическим полем дополнительная напряжённость в коллекторном переходе за счёт опорного эмиттерного перехода;

опз - область пространственного заряда шириной W; Ов-диффузионный заряд электронов в базе; Ыбо-обёмное сопротивление базы;

Проведена математическая оценка точностных характеристик на предложенной модели термоэлектрического преобразователя на примере единичного биполярного транзистора.

Как отмечалось ранее, в данной работе исследовались и анализировались применяемые схемные и технологические решения для современных полупроводниковых интегральных датчиков температуры. В результате были

определены критические факторы, не позволяющие повысить точность и диапазон измерений. Перечень этих факторов следующий:

1. Использование в схеме интегрального температурного датчика транзисторных усилителей тока и напряжения.

2. Наличие объёмного сопротивления базы в измерительном р - п переходе транзистора или диода.

3. Недостаточная чувствительность измерительного р - п перехода, причём, чем больше заданный измеряемый диапазон температур, тем ниже термочувствительность.

В диссертационной работе установлено: применение транзисторных усилителей в интегральных датчиках температуры ограничивает диапазон измеряемой температуры, как в области низких температур, так и в области высоких температур, а также не обеспечивает требований к погрешности измерений в широком диапазоне температур.

Отказ от транзисторных усилителей потребовал найти способ повышения чувствительности термодатчика. Для этого была предложена структура из группы биполярных транзисторов (патент № 100827 от 27 декабря 2010 г.) для так называемого структурного метода повышения чувствительности. Уравнение преобразования для единичного транзисторного термочувствительного элемента будет иметь вид:

Математическое уравнение для ТКН получено следующим образом:

сШк!

Іо-тепловой ток = ІооЄ <Р3/(РТ Ідо не зависит от температуры;

ІІК1

Цк1—фз

т

Подставляем Ukl = 0,026 In ^^ + lj, где Io =qSDnNi/W6, где:

q- заряд электрона, S-площадь коллектора,

Dn-коэффициентдиффузии для электронов коллекторногор-п перехода, Ni-собственная концентрация носителей заряда в кремнии, W6- толщина ОПЗ,

область пространственного заряда коллекторного р-п перехода.

л—... 1 1 /"W6 1см ,

Следовательно: (ТКН)==[0,026 ln( + 1) - фЗ]

1 \QdLiniil /

Окончательно, при фиксации условия: 1см - const =20*10"6А, получено: (ТКН)=2,3 мВ/°С.

Как отмечалось, наличие омических сопротивлений, дополнительных к дифференциальному сопротивлению (Яд) идеального р-п перехода приводит к снижению линейности измерений температуры. В общем случае преобладающее влияние оказывает объёмное сопротивление базы (R6), т. к. R6» Rk» Rm.

Следовательно, математическую модель для оценки вносимой погрещности измерений температуры можно построить с учётом только объёмного сопротивления базы. Математическая формула для Rfl имеет вид:

_ dUkl kT , пе.

Ид —-=--\- R6.

44 dl qlcM Так как R6 имеет природу сопротивления кремниевого терморезистора

( т V'3

(RT = RT- — то отклонение от линейности в абсолютном значении \ о )

можно вычислить из тождества, в котором одинаковые значения UkI достигаются при R6 =const, а в другом при R6 =f(T).

Получена абсолютная нелинейность измерений температуры на верхней и

нижней границы диапазона: Д+=Т|-Тв=+8°С и A.=Ti-Th=-4°C. Таким образом, окончательно: Д=+8°С/-4°С.

Без снижения величины R6, высокий уровень погрешности не позволяет решить поставленные в работе задачи. Это привело к поиску необходимых решений. Аналитические исследования дали возможность найти механизм

кардинального снижения величины Яб. Способ основан на создании в области базы биполярного транзистора диффузионного заряда неосновных носителей (электронов) инжектированных из эмиттера транзистора. Как известно из теории физики твёрдого тела, повышение концентрации свободных носителей зарядов в полупроводнике приводит к увеличению проводимости.

Данный режим обеспечивается следующими условиями:

биполярный транзистор включён в схеме с общей базой; эмитгерный и коллекторный переходы прямосмещённые (режим насыщения);

ток эмиттера 1э=соп51;

1см=соп51;

1э»1к.

Построим математическую модель «накачки» диффузионного заряда электронов для оценки эффективности механизма повышения проводимости в базовой области транзистора. При указанных допущениях, можно рассчитать вклад диффузионного заряда в проводимость базы (объёмного сопротивления) при неравновесном состоянии биполярного транзистора:

а _ д^Ыз _ /эт

' Ч. Ш <1х(1уйг

т = 1,5* 10"6 с - время жизни электронов в базе;

JJJ ёхёуёг^ХУб - объём области базы транзистора;

В итоге, при фиксации 1э=200*10"6 А и, подставляя справочные данные, получим:

СТ = -- = 31 Сим.

Сравнивая значения Яб без использования механизма «накачки» диффузионным зарядом электронов и с использованием этого механизма, приходим к следующему результату:

а » 1/1*6 => 775 :1.

На основании полученных результатов был сделан вывод: разработанный механизм получения диффузионного заряда неосновных носителей (электронов), инжектированных из опорного эмиттерного р - п перехода в базу транзистора, позволяет полностью устранить влияние объёмного сопротивления базы на линейность измерения температуры транзисторным датчиком.

В отношении расширения диапазона был предложен и реализован следующий способ:

- известно, из теоретической физики электрического поля, при электростатической индукции на одной стороне сверхобеднённого тела (ОПЗ р - п перехода) образуются положительные заряды, на другой стороне отрицательные, что создаёт равные и противоположные потенциалы на р - п переходе. Таким образом можно индуцировать дополнительный потенциал напряжения из опорного в измерительный р-п переход. Это решает две проблемы:

высокая чувствительность (1см) при расширенном диапазоне (1э); можно управлять границами температурного диапазона, имея возможность расширять его в область высоких температур.

Проведя математические расчёты для оценки расширения диапазона измеряемых температур, получено: Кдиапазон = 1Д5

Установлено, что в пределах принятых упрощений и найденных механизмов, повышающих точностные характеристики в расширенном диапазоне измерений, аналитический расчет единичного транзисторного чувствительного элемента представлен в табл.1

Таблица!

Первичный термопреоб разователь :...... Диапазон температур % Чувствительность Линейность °С Ток потребления.

мВ/ °С без калибр. С калибров кой мА

Транзистор 115 2,3 ±1,0 +0,0 0,4

В заключении главы описан новый предложенный метод повышения чувствительности датчика, где тепло преобразуется в одном элементе в пригодный для дальнейшего преобразования электрический сигнал, который целенаправленно передается другому элементу посредством электрической связи и где складывается с выходным сигналом. В данной работе он назван, как «метод теплоэлектрического повышения чувствительности датчика».

В рамках разработанного метода в диссертационной работе предложена электрофизическая модель механизма теплоэлектрического повышения чувствительности создаваемого в работе датчика температуры. На рис.4 рассмотрена эквивалентная схема теплоэлектрической модели датчика на сосредоточенных параметрах. Представлены:

1. Окружающая температура Токр - в виде источника напряжения иокр.

2. Теплоемкость - электрической емкостью Ст.

3. Тепловое сопротивление - электрическим сопротивлением Ят.

4. Температурные зависимости напряжения на переходах (Уь иЭБг; иквз; икм) промоделированы усилителями с коэффициентами передачи (Мь М2; М3; М4) соответственно.

5. Т0 - начальная температура. 6Л- время.

7. т=11тСт - тепловая постоянная времени датчика.

о~

-Д

+ Д

' Т окр ч ^ окр >

Рис.4. Теплоэлектрическая модель датчика на сосредоточенных параметрах

При изменении Т0кр на АТ(1)=(Т0кр-Т0) передаточная функция модели имеет вид:

~'диу1 ди^Ля '...... чП ' 'л

=

дТ

+ -

ЭБ2

дТ

ґ

Я,

- +

ди

КБ 3

дТ

+ -

ди,

КБ 4

дТ

■АТ,

со

1-е

V

12 V

Предложенная модель позволяет проводить оценку эффективности теплоэлектрического и структурного повышения термочувствительности, а также возможность саморазогрева и оценку инерционности датчика.

В третьей главе приведено исследование теплоэлектрических и метрологических характеристик макетного образца транзисторного интегрального датчика температуры. Были изготовлены три макетных образца датчика и изучение вольтамперных характеристик отдельных его элементов, в том числе исследование зависимости выходного напряжения макетного образца датчика от температуры при напряжении питания 10 В и исследование зависимости температурных характеристик макетных образцов датчика от напряжения питания. На рис. 5 представлены соответствующие зависимости.

-<¡0 -40 .20 О 20 40 «О КО ЮО 120 МО 1<*0 1 КО ЗОО

Рис.5. Зависимость температурных характеристик от напряжения питания датчика; для номеров (1,2,3,4) - напряжение питания (28,20,14,8) В. В результате проведенных в работе экспериментальных исследований макетных образцов датчика получены данные, подтверждающие возможность создания интегрального датчика температуры в виде полупроводниковой монолитной микросхемы с встроенным чувствительным элементом со следующими основными параметрами:

- Диапазон измеряемых температур...........................................-65 +175°С

- Температурный коэффициент ивых1..............................................................5 мВ/°С

- Нелинейность выходного напряжения ивыХ1 в диапазоне температур от-65 до 175°С, по абсолютной величине не более 1,0°С

- Чувствительность выходного напряжения ивых1 к изменению напряжения питания...................................................................................................................................1,0 мВ/В

- Напряжение питания датчика....................................... ..(8^-27) В

- Ток потребления датчика, не более................................................................... 1,0 мА

В четвёртой главе описана разработка и изготовление кремниевой монолитной интегральной схемы датчика температуры. Процесс преобразования обычной схемы на дискретных компонентах в интегральную схему связан с учетом следующих основных факторов. Во-первых, в схеме должно быть как можно меньше резисторов, особенно высокоомных, свыше ЮОкОм, поскольку они занимают значительную площадь полупроводникового кристалла. Во-вторых, схема должна, по возможности, содержать активные элементы (транзисторы) одного типа проводимости, лучше п-р-п транзисторы вследствие относительной простоты их изготовления. В - третьих, мощность, рассеиваемая в микросхеме, должна быть как можно меньше, чтобы избежать ошибок при измерениях из-за саморазогрева схемы. С учетом рассмотренных факторов схема для макетных образцов, была упрощена, не изменяя точностных и эксплуатационных характеристик, как показано на рис. 6.

120к

В, 10к

ЧІІҐ 90к

Рис. 6. Схема для макетных образцов датчика температуры

Топология разработанной интегральной схемы датчика температуры представлена на рис. 7.

Рис. 7. Топология интегральной схемы датчика температуры

В конце главы представлена экспериментальная проверка датчика температуры и сравнение его с зарубежным аналогом. Результаты подтверждающие, теоретические положения диссертации приведены в табл. 2.

Таблица 2

Диапазон Чувствительность Погрешность Ток

Датчик температуры измеряемых температур, °С мВ/Т °С мВ/Еп, В С без калибр калибр. • 1 Напряжение питания, В потребления, мА

1 2 3 4 5 6 V.^ii^jV. ••..'., 11111'Ш

Интегральный образец -65 * +175 ивЫх1 - 5,0 ивых2 ~ 4Д 1/1 ±1 ±1,5 8 + 30 не более 1,0

LM50, аналоговый (National Semiconductor) -40 + +125 U ВЫ* = 10 3/1 ±1 ±3 4,5 + 10 не более 0,5

В заключении перечислены основные результаты, полученные в диссертационной работе. В приложении к диссертации приведены акты внедрения и патент РФ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ состояния проблемы измерения температуры в интегральном датчике.

2. Разработана методика структурного повышения чувствительности термоэлектрического преобразователя на транзисторах.

3. Построена математическая модель термоэлектрического преобразователя на примере единичного биполярного транзистора.

4. Разработан алгоритм теплоэлектрического повышения чувствительности на основе построенной теплоэлектрической модели датчика.

5. Разработана принципиальная схема интегрального датчика температуры.

6. Проведено исследование основных параметров трех макетных образцов.

7. Создан интегральный датчик температуры и изготовлена опытная партия.

8. Проведены экспериментальные исследования образцов кремниевого интегрального датчика температуры, проверен и обоснован факт достижения в работе поставленной цели.

9. Результаты диссертационной работы внедрены в промышленность.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Шестимеров С.М. Высокоточный транзисторный датчик температуры / Громов B.C., Шестимеров С.М., Увайсов С.Г. // Датчики и системы - М.: 2010. № 11. С. 19 - 22 (в журнале).

2. Шестимеров С.М. Современные полупроводниковые интегральные датчики температуры / Громов B.C., Шестимеров С.М., Увайсов С.Г. // ИЗМЕРЕНИЯ. КОНТРОЛЬ. АВТОМАТИЗАЦИЯ - М.: 2010. № 12. С. 59 -68 (в журнале).

3. Шестимеров С.М. Транзисторный термопреобразователь для повышения качества контроля температуры / Громов B.C., Шестимеров С.М., Увайсов С.Г. // Качество. Инновации. Образование. - М.: 2010. № 11. С. 63-69 (в журнале).

В других изданиях:

4. Шестимеров С.М. Особенности полупроводниковых резистивных термодатчиков. / Громов B.C., Шестимеров С.М., Увайсов С.У. // Материалы международной научно-практической конференции «Инфо-2010», 1-10 октября 2010 года, Россия, г. Сочи, - Московский государственный институт электроники и математики, М.: 2010. С. 366 - 368.

5. Шестимеров С.М. Первичные преобразователи температуры на основе диодных структур. / Громов B.C., Шестимеров С.М., Увайсов С.У. II Материалы международной научно-практической конференции «Инфо-2010», 1-10 октября 2010 года, Россия, г. Сочи, - Московский государственный институт электроники и математики, М.: 2010. С. 366 - 368.

6. Шестимеров С.М. Полупроводниковые интегральные датчики температуры / Громов B.C., Шестимеров С.М., Увайсов С.Г. // Материалы международного ежегодного симпозиума «Надёжность и качество 2010» - Пенза, ПГУ, 2010. С. 161 - 164.

7. Шестимеров С.М. Термодатчики на основе многоэмитгерных транзисторных структур. / Громов B.C., Шестимеров С.М., Увайсов С.У. // Материалы международной научно-практической конференции «Инфо-2010», 1 - 10 октября 2010 года, Россия, г. Сочи, - Московский государственный институт электроники и математики, М.: 2010. С. 364 - 366.

8. Шестимеров С.М. Транзисторный термопреобразователь с улучшенными характеристиками,/ Громов B.C., Шестимеров С.М., Увайсов С.Г. // Материалы международного ежегодного симпозиума «Надёжность и качество 2010» -Пенза, ПГУ, 2010. С. 477 - 479.

9. Шестимеров С.М. Методы построения полупроводниковых датчиков температуры._/ Громов B.C., Шестимеров С.М., Увайсов С.Г. // Материалы международного ежегодного симпозиума «Надёжность и качество 2011» -Пенза, ПГУ, 2011. С. 471 - 475.

10. Шестимеров С.М. Транзисторные термопреобразователь в качестве датчика контроля полупроводниковых интегральных термоанемометров. / Громов B.C., Шестимеров С.М., Увайсов С.У. // Материалы международной научно-практической конференции «Инфо-2011», 1-10 октября 2011 года, Россия, г. Сочи, - Московский государственный институт электроники и математики, М.: 2011. С. 255-257.

Объект интеллектуальной собственности:

11. Устройство для измерения температуры. Патент РФ на полезную модель №100827 от 27 декабря 2010 г. Шестимеров С. М., Громов B.C., Увайсов С.У.

Подписано в печать: 20.04.12

Объем: 1,5 усл.п.л. Тираж: 120 экз. Заказ № 47 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, ул. Бауманская д. 33 (495) 979-96-99; www.reglet.ru

61 12-5/3896

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный институт электроники и математики

(технический университет)»

Шестимеров Сергей Михайлович

ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ТЕРМОДАТЧИК С УЛУЧШЕННЫМИ ТОЧНОСТНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ В РАСШИРЕННОМ

ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и

систем управления

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., проф. С.У. Увайсов

Москва - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................4

ГЛАВА 1. Анализ технического состояния отечественных и зарубежных разработок в области интегральных датчиков температуры.......................15

1.1 Основные понятия и определения.............................................................15

1.2 Анализ технического состояния разработок датчиков температуры с использованием термопар...............................................................................18

1.3 Анализ технического состояния разработок датчиков температуры с использованием терморезисторов..................................................................25

1.4 Анализ технического состояния разработок датчиков температуры с использованием в качестве чувствительных элементов диодных и транзисторных структур............................................................................................................33

Выводы и рекомендации....................................................................................44

ГЛАВА 2. Разработка транзисторного интегрального датчика температуры 45

2.1 Выбор и обоснование структуры чувствительного элемента на основе р-п переходов..........................................................................................................45

2.2 Разработка метода структурного повышения чувствительности первичного преобразователя датчика и изучение физической модели........................56

2.3 Разработка структурной и принципиальной схемы интегрального датчика температуры, построение математической модели.............................,....63

2.4 Расчет элементов и параметров схемы датчика и его уравнения преобразования

температуры.................................................................................75

2.5 Разработка метода теплоэлектрического повышения чувствительности датчика и изучение его электрофизической модели. Построение математической

модели.........................................................................................78

Выводы по второй главе и рекомендации........................................................82

ГЛАВА 3. Исследование теплоэлектрических и метрологических характеристик макетного образца транзисторного интегрального датчика температуры83

3.1 Изготовление макетного образца датчика и изучение вольтамперных характеристик отдельных его элементов......................................................83

3.2 Исследование зависимости выходного напряжения макетного образца датчика от температуры при напряжении питания 10 В...........................................87

3.3 Исследование зависимости температурных характеристик макетных образцов датчика от напряжения питания.....................................................................91

Выводы по третьей главе и рекомендации..........................................96

ГЛАВА 4. Разработка и изготовление кремниевой монолитной интегральной схемы датчика температуры..............................................................................98

4.1 Преобразование схемы макетного образца датчика в схему интегрального датчика..............................................................................................................98

4.2 Разработка топологии интегральной схемы датчика и изготовление фотошаблонов..................................................................................................99

4.3 Конструктивно-технологические вопросы изготовления транзисторов интегрального датчика температуры...........................................................103

4.4 Экспериментальная проверка параметров и характеристик транзисторного интегрального датчика температуры и сравнение его с зарубежными аналогами....................................................................................................108

Выводы и рекомендации..................................................................................114

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................116

ПРИЛОЖЕНИЕ...................................................................................................125

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап развития электроники и вычислительной техники обусловил предпосылку для широкой автоматизации самых разнообразных процессов в промышленности, в научных исследованиях, в быту. Однако практическая реализация данной предпосылки в значительной степени определяется возможностями устройств, предназначенных для получения информации о регулируемом параметре или процессе. Такие устройства получили в технике названия датчиков [1, 5, 6, 7, 102]. Разумеется, применение датчиков не ограничивается только автоматизированными системами, поскольку они могут выполнять также функции элементов просто измерительных систем.

Понятием «датчик» в общем случае обозначают дешевый, но надежный приемник и преобразователь измеряемой величины, обладающий умеренной точностью и пригодный для серийного изготовления. Наиболее важным параметром, определяющим состояние самых различных процессов в технике и народном хозяйстве, является температура. В элементарных учебниках температура определяется, как «степень нагретости тела». При контакте двух тел (будь то газ, жидкость, твердое тело) теплота одного из них, более нагретого, переходит к другому до тех пор, пока значения средней кинетической энергии хаотического движения молекул не будут в объеме этих тел равны. Для количественного определения температуры необходимо использовать одну из принятых в технике измерений температурных шкал (Фаренгейта, Реомюра, Цельсия, Кельвина), т.е. выбрать начало отсчета и единицу температурного интервала (градус, Кельвин).

Широко выпускаемые промышленностью датчики температуры в зависимости от используемого чувствительного элемента подразделяются на термопарные датчики, приборы на основе применения терморезисторов и датчики с использованием диодных и транзисторных чувствительных элементов. По видам

связи чувствительного элемента с блоком обработки, хранения и передачи измерительного сигнала, датчики подразделяются на устройства:

-с выносным чувствительным элементом (в основном, это термопарные датчики, реже - терморезисторные),

-с чувствительным элементом, совмещенным с блоком обработки сигнала (в основном, это датчик с металлическим терморезистором),

- с чувствительными элементами, встроенными в блок обработки, хранения и передачи измерительного сигнала (как правило, это диодные и транзисторные датчики).

Блок обработки, хранения и передачи измерительной информации может быть выполнен из дискретных элементов или в виде гибридной, пленочной, полупроводниковой микросхемы. Анализ российского рынка интегральных датчиков температуры на первом этапе выполнения данной работы показал, что на нем присутствуют, в основном, датчики иностранного производства. Для измерения высоких температур (до 1800 °С и выше) используются интегральные датчики с выносными чувствительными элементами на основе термопар или металлических терморезисторов. Слабый выходной сигнал от этих элементов (например, для термопары медь-константан он равен 24 мкВ/°С) требует при его измерении специальных мер защиты от внешних электрических помех. На практике, обычно, уменьшают длину проводников, соединяющих чувствительный элемент с блоком обработки выходного сигнала, или помещают их в специальный экран. Анализ российского рынка интегральных датчиков температуры также показал, что значительную номенклатуру среди них занимают измерительно-преобразовательные устройства на диапазон температур от -100 °С до +200 °С. Для выпускаемых промышленностью датчиков с совмещенными или встроенными чувствительными элементами диапазон измеряемых температур определяется не только возможностями чувствительного элемента, но и диапазоном температур, в котором обеспечивается работоспособность совмещенного с чувствительным элементом блока обработки измерительной информации. Лучшие зарубежные образцы

полупроводниковых интегральных датчиков температуры [53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 65, 66, 67, 69] на сегодняшний день имеют характеристики (табл.1).

Табл. 1

№ п/п Фирма изготовитель Тип датчика (или блока) Диапазон измеряемых температур, °С Погрешнос ть измерения, °С

— ' -У

■ ■ - I; н жШШШШ тшш Analog Оеукеэ АБ594 - измер. блок, аналоговый, термопара -55- +125 0 - +300 ±2,0 ±3,0

Апа1о§ Беу1сез А022100 - аналоговый -50- +150 0-+100 ±4,0 ±2,0

НЯиБ 3 0201071 - Р( - термопара -55-+150 ±2,0 (для блока)

Analog ЭеуюеБ А0594 - аналоговый измерительный блок

РЫНрБ 8егтсопс1ис1:ог КТУ81 - терморезистор, кремний, выносной. -55-+150 ±2,0 (для блока)

Апа1о§ Беукез А0595 - аналоговый измерительный блок

№1лопа1 8етюопс1ис1:ог ЬМ84 диодный, выносной, цифровой 0 -и-125 ±1,0

6 Г' 1 7 1 ТехаБ ЫБ^итег^Б 8ТР35 - кремниевая аналоговая схема, диод встроенный -40-+125 ±2,0

Апа1о§ ОеуюеБ АЭ592 - кремниевая аналоговая схема, диод встроенный -40 - +125 -55-+155 ±2,0 ±4,0

- • - - *' ■( 18820 - кремниевая

щ 1Я ':'■".;> 1 Dallas цифровая схема, -55 + +125 ±2,0

Semiconductor многоэмиттерный диод, встроенный -10 + +85 ±0,5

Из таблицы 1 видно, что современные полупроводниковые интегральные датчики могут обеспечить измерения температуры в диапазоне от -40 °С до +125 °С с погрешностью ±2,0 °С. Однако в науке и промышленности существует необходимость в контроле и измерении более высоких и более низких температур [91, 100]. Так, например, в системе парового отопления городских и сельских объектов требуются высокоточные (не хуже ±1 °С) измерения температуры водяного пара порядка (100^-150) °С. В летательных космических и авиационных аппаратах, наоборот, необходим контроль низких температур, порядка (-10+- -75) °С. В зависимости от типа объекта на летательных авиационных аппаратах число датчиков температуры может доходить до 1000. Поэтому создание дешевого и надежного интегрального датчика на диапазон измеряемых температур от -65 °С до +175 °С, отличающегося от аналогичных зарубежных образцов улучшенными эксплуатационными и метрологическими характеристиками и пригодного для серийного изготовления отечественной электронной промышленностью является актуальной научной и технической проблемой.

В работе [8] проведён анализ распределения доли измерений различных физических величин (рис.1), что говорит о безусловном лидерстве в количестве измерений именно температуры. В настоящее время на мировом рынке продаётся датчиков температуры на миллиарды долларов США в год. И это понятно: на атомной электростанции имеется около 1500 точек измерения температуры для управления процессами автоматизации и безопасности, а на крупном предприятии химической промышленности подобных точек присутствует свыше 20 тысяч. Диапазон температуры от -65 °С до +175 °С практически не освоен для измерения кремниевыми интегральными датчиками, поэтому в данной работе в качестве

объекта исследования выбран интегральный датчик температуры, выполненный в виде кремниевой микросхемы с встроенным чувствительным элементом на основе р-п структур.

Объемная доля, %

60% -г---—--—--

датчики датчики температуры расхода (массовый, объемный)

датчики давления

5% 5% 4% 4%

датчики уровня датчики количества (масса, объем) датчики времени датчики магнитных и электрических величин

Рис. 1. Распределение долей измерений различных физических величин в большинстве областей деятельности человека.

Тогда, исходя из решаемой в работе научно-технической проблемы, можно сформулировать:

Объект исследования: процесс термоэлектрического преобразования в р-п переходах биполярных транзисторов современных датчиков температуры.

Предмет исследования: метод, модели, схемотехнические решения, алгоритм теплоэлектрического повышения чувствительности.

Цель работы: Создание конкурентноспособного интегрального термодатчика с улучшенными точностными характеристиками в расширенном диапазоне температур.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

1). Анализ современного состояния проблемы измерения температуры в интегральном датчике.

2). Разработка метода структурного повышения чувствительности термоэлектрического преобразователя на транзисторах.

3). Построение математической модели термоэлектрического преобразователя на примере единичного биполярного транзистора.

4). Разработка алгоритма теплоэлектрического повышения чувствительности на основе построенной теплоэлектрической модели датчика.

5. Разработка принципиальной схемы интегрального датчика температуры.

6). Исследование основных параметров трех макетных образцов.

7). Создания интегрального датчика и изготовление опытной партии.

8). Проведение экспериментальных исследований образцов кремниевого интегрального датчика температуры, обоснование факта достижения в работе поставленной цели.

9). Внедрение результатов диссертационной работы в промышленность.

Методы исследования

При решении научно технических задач были использованы принципы системного подхода, а также численные методы решения уравнений и экспериментальные методы исследования, статистические методы обработки результатов измерений, основы теории электрических зарядов, теории управления и теории оптимизации физического моделирования.

Наиболее существенные научные результаты

При решении задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие новые научные результаты:

1. Разработана модель структурного повышения чувствительности интегрального датчика температуры на основе группы транзисторов (Патент РФ на полезную модель №100827 от 27 декабря 2010 г.) в транзисторном включении, отличающихся от транзисторов в диодном включении известных аналогов. Это позволило повысить температурную чувствительность до >4,2 мВ/°С, без уменьшения диапазона измерений температуры.

2. Разработана и обоснована математическая модель термоэлектрического преобразователя на примере единичного биполярного транзистора, учитывающая в отличии от ранее известных, влияние опорного р-п перехода на свойства измерительного р-п перехода, что позволило оценивать основные параметры датчика до этапа экспериментальных исследований.

3. Предложена теплоэлектрическая модель повышения чувствительности интегрального датчика, в которой можно интегрировать термочувствительность с нескольких точек термопреобразования на кристалле микросхемы, что дало возможность впервые (в интегральных датчиках) отказаться от использования транзисторных усилителей тока и напряжения и, тем самым, увеличить диапазон измерений температуры с -55°С ... +150°С до -65°С ... +175°С.

4. Разработана структурная модель двух прямосмещённых р-п переходов биполярного транзистора в схеме с общей базой, отличающаеся от известных моделей тем, что не имеет токовых связей между переходами. Анализ модели позволил установить, каким образом управление диффузионным зарядом из опорного р-п перехода снижает объёмное сопротивление базы транзистора. Практическое решение этой проблемы в транзисторном интегральном датчике повысило линейность измерений во всём рабочем диапазоне температур с 8°С до 1°С.

Практическая полезность диссертационной работы:

1. .Разработан интегральный термодатчик с улучшенными точностными характеристиками в расширенном диапазоне температур для контроля и управления температурой твердых, жидких и газообразных тел с использованием в качестве термочувствительного параметра выходной ток, величина которого определяется совокупностью теплоэлектрических процессов в различных элементах транзисторного устройства.

2. Создан транзисторный интегральный датчик температур, который имеет измеряемый диапазон от минус 65°С до плюс 175°С с погрешностью измерения не хуже ±1,5°С, что превышает в 1,2-1,5 раза параметры измерений зарубежных аналогичных образцов.

3. Результаты полученные в ходе настоящей диссертационной работы, в том числе модели, методы, алгоритмы, схемотехнические решения, могут использоваться при разработке новых транзисторных интегральных датчиков на измерение в диапазоне температур, приближающемся к теоретически возможному для кремния: -100°С ... +300°С.

4. Использование в схеме датчика опорного р-п перехода ещё и как нагревателя, позволит использовать датчик в качестве:

- термоанемометра;

- датчика электромагнитных излучений;

- датчика ионизирующих излучений.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанное устройство было внедрено в системах контроля на предприятиях: ООО «НПА Вира Реалтайм», ЗАО ИТЦ «Циклон», ЗАО «ЭМИКОН», ООО фирма «Мэй».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

на международном ежегодном симпозиуме «Надёжность и качество 2010» -Пенза, ПГУ, 2010;

на международной научно-практической конференции «Инфо-2010», Россия, -Сочи, МГИЭМ, М, 2010;

на международном ежегодном симпозиуме «Надёжность и качество 2011» -Пенза, ПГУ